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GT87-1 电位差计的应用

发布日期：2014-05-09　来源：网络

GT87-1型学生式电位差计使用说明书

主要用途：

学生式电位差计是按串联代换式电位差计的电路设计的.其特点是线路简明、原理清楚,非常适合大学、中专、中学的学生实验.用它不仅可以直接测量电源电动势、温差电动势,而且配用标准电阻箱后还可以用来测量直流电流和电阻等.

主要特性：

1、本电位差计基本误差为±0.2%(以满度值计算);

2、本电位差计的工作电流为5.5毫安;

3、本电位差计有“×1”和“×0.1”二档倍率;

“ ×1”档的测量上限为1.710伏,最小分度为0.0001伏;

“ ×0.1”档的测量上限为171.0毫伏,最小分度为0.01毫伏.

4、本电位差计可以在温度0～+35℃,相对湿度不大于80％环境中使用.

5、本电位差计的工作电源为2.8～3.2伏,可直接用直流稳压源或甲电池.此时电源回路的工作电流调节可采用“内接R”,当采用4～6伏直流稳压源时可采用外接电阻箱作工作电流调节.

一、概述

电位差计是通过将被测电压与内部已知的补偿电压进行比较来测定未知电压或未知电源电动势.当补偿电压和被测电压平衡时,本电位差计既不从被测电路中获取电流,也不会给出电流,从而保证了被测电路的状态不变.这正是补偿法测量的优点和特点.电位差计被广泛地应用在计量工作和其它精密测量中.通过学生式电位差计实验,可以了解电位差计的基本原理、结构和使用方法.

二、电位补偿原理

用电压表不能准确地测电动势.电压表可以测量电路各部分的电压,但不能测量具有内阻的电源的电动势.因为电压表并联在电源的两端时(图1),根据闭合欧姆定律可知,电压表的指示是此时电源的端电压,而不是它的电动势

图中：V=E-Ir

E—电源电动势; r—电源内阻;I—回路中电流;V—电压表指示数;

电压表的指示数V ,表示电源的端电压;Ir为电源内阻上的电压降.由于电源内阻是未知的,因此由上式不能根据V的值准确确定电源的电动势.

图1

图2

图2是将被测电动势的电源Ex与一已知电动势的电源E_O“+”端对“+”端,“-”端对“-”端地联成一回路,在电路中串联检流计“G”,若两电源电动势不相等,即E_x≠E₀,回路中必有电流,检流计指针偏转;如果电动势E₀可调并已知,那么改变E_O的大小,使电路满足E_X=E₀,则回路中没有电流,检流计指示为零,这时待测电动势E_X得到己知电动势E₀的完全补偿.可以根据已知电动势值E₀定出E_X,这种方法叫补偿法.如果要测任一电路中两点之间的电压,只需将待测电压两端点接入

上述补偿回路代替Ex,根据补偿原理就可以测出它的大小.我们知道,用电压表测量电压时,总要从被测电路上分出一部分电流,从而改变了被测电路的状态,用补偿法测电压时,补偿电路中没有电流,所以不影响被测电路的状态.这是补偿测量法最大的优点和特点.

三、电位差计

按电压补偿原理构成的测量电动势的仪器称为电位差计.由上述补偿原理可知,采用补偿法测量电动势对E₀应有两点要求：(1)可调.能使E₀和E_X补偿.(2)精确.能方便而准确地读出补偿电压E₀大小,数值要稳定.

是实现补偿法测电动势的原理线路,即电位差计的原理图.采用精密电阻Rab组成分压器,再用电压稳定的电源E和限流电阻R串联后向它供电.只要 Rcd 和I₀数值精确,则图中虚线内cd之间的电压即为精确的可调补偿电压E₀,E₀和E_X组成的回路cdGE_X称为补偿回路.

图3

四、电位差计的标准

要想使回路的工作电流等于设计时规定的标准值I₀,必须对电位差计进行校准.方法如图4所示.E_S是已知的标准电动势,根据它的大小,取cd间电阻为Rcd,使Rcd=ES/I₀,将开关K倒向E_S,调节R使检流计指针无偏转,电路达到补偿,这时I₀满足关系I₀= ES/Rcd,由于已知的E_S、Rcd都相当准确,所以I₀就被精确地校准到标准值,要注意测量时R不可再调,否则工作电流不再等于I₀.

图4

五、测量未知电动势E_X

在图4中,将开关K倒向E_X,保持R不变即I₀不变,只要E_X≤I_ORab,调节c、d就一定能找到一个位置,使检流计再次无偏转,这时c、d间的电阻为RX,电压为E_X = I₀R_X,因为实际的电位差计上都是把电阻的数值转换成电压数值标在电位差计上,所以可由表面刻度直接读出EX=I₀R_X的数值.
    如果要测量任意电路中两点之间的电位差,只需将待测两点接入电路取代E_X即可,此时需注意,这两点中高电位的一点应替换E_X的正极,低的替换负极.
    电位差计是用补偿法测电动势的仪器,除了具有一般比较法的优点外,在通过补偿电路将未知电动势E_X与补偿电压E_O比较时,不从E_X取用电流,也不向E_X输人电流,因而待测电源可不受测量干扰而保持原态,这称为原位测量,电位差计的优点可以这样来表达：
    (1)“内阻”高,不影响待测电路,用电压表测量未知电压时总要从被测电路上分出一部分电流,这就改变被测电路的工作状态,电压表内阻越小,这种影响越显著,用电位差计测量时,补偿回路中电流为零,可测出电路被测两端的真正电压.
    (2)准确度.由于电阻Rab可以做得很精密,标准电池的电动势精确且稳定,检流计足够灵敏,所以在补偿的条件下能提供相当准确的补偿电压,在计量工作中常用电位差计来校准电表.
    值得注意的是电位差计在测量的过程中,其工作条件会发生变化(如回路电源E不稳定,限流电阻R不稳定等),为保证电流保持规定的数值,每次测量都必须经过校准和测量两个基本步骤,两个基本步骤的间隔时间不能过长,而且每次要达到补偿都要细致的调节,因此操作繁杂,费时.

六、学生式电位差计

学生式电位差计内部电路如图5虚线内所示,电阻R_A、R_B、R_C相当于图4中的电阻Rab,可见B_A+和R-两个接头相应于图4的ba两点,E-E+两个接头则相应于c、d两点.R_A全电阻是320欧姆,分16档,每档20欧姆;R_B全电阻是20欧姆,分1₀档,每档2欧姆电阻;R_C为滑线盘电阻,电阻值为2.2欧姆.R_B电阻在测量时,会随测量档的变化而变化,这势必引起如图4中a、b间电阻变化,破坏了工作电流I_O的不变的规定.为此,引入R_B’所谓的替代电阻.R_B和R_B’同轴变化.当RB每增加一档电阻时,RB’则减少一档电阻,反之亦然.保证R_B不论处于哪一档,R_B+ R_B’=20Ω不变,确保图4中a、b间总电阻值不变.为了实施量程变换,在产生测量补偿电压支路上并联了一条分流支路.当×1时,流过测量补偿电压支路的电流为5mA,分流支路电流为0.5 mA;当×0.1时,流过补偿电压支路电流为0.5 mA,流过分流支路电流5mA.显然,后者量程由于电流减少到十分之一,量程也变小十分之一.

图5

使用学生电位差计时,必须加接外电路,如图5所示.而R_A、R_B、R_C(由c到d)和外电路的检流计G、保护电阻R_b等组成补偿回路.K₁为电源开关,K₂可保持E_S和E_X相互迅速替换,K₃作检流计的开关,R_b是可变电阻箱,用以保护检流计和标准电池.

图6

学生式电位差计的外电路所需配套件,除了电源E、标准电池和R_b可变电阻箱要外配外,其它均已安装在同一木箱内,各部分之间连接导线也成套供应.

七、实验内容

本实验内容是根据中央广播电视大学物理组编写的“普通物理学实验讲义”中所规定的实验要求而编写的,简单说明如下：
1、校准学生式电位差计(称校准)
使用电位差计之前,先要进行校准,使电流达到规定值.先放好R_A、R_B和R_C,使其电压刻度等于标准电池电动势,取掉检流计上短路线,用所附导线将K₁、K₂、K₃、G、R、R_b和电位差计等各相应端钮间按原理线路图进行连接,经反复检查无误后,接入工作电源E,标准电池E_S和待测电动势E_X,R_b先取电阻箱的最大值,(使用时如果检流计不稳定,可将其值调小,直到检流计稳定为止),合上K₁、K₃,将K₂推向E_S(间歇使用),并同时调节R,使检流计无偏转(指零),为了增加检流计灵敏度,应逐步减少R_b,如此反复开、合K₂ ,确认检流计中无电流流过时,则I_O已达到规定值.